專利名稱：測量方法及測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量方法及測量裝置，特別是涉及最適當(dāng)?shù)匦拚齼?nèi)置于研磨機等中的機械控制儀器或者光潔度輪廓形狀測量器等固有的幾何的測量誤差的測量方法及測量裝置。
背景技術(shù)：
內(nèi)置于研磨機等中的機械控制儀器(自動定尺寸裝置)或者光潔度輪廓形狀測量器等中使用測頭，該測頭設(shè)置有前端具有探頭，能以支點部件為支點支撐并可轉(zhuǎn)動的杠桿式部件；在一個方向上對杠桿式部件施力的施力部件；及，夾持支點部件并設(shè)置在探頭的相反一側(cè)，并通過檢測出杠桿式部件的變位來檢測出探頭的變位的檢測器。
該檢測器中使用光學(xué)數(shù)顯測量裝置或者被稱為LVDT(LinearVoltage Differential Trasducer)的線性電壓差動變壓器(通稱差動變壓器)等，該光學(xué)數(shù)顯測量裝置由固定在測頭主體上的讀取頭和安裝在杠桿式部件上的弧形標(biāo)尺構(gòu)成，該線性電壓差動變壓器由固定在測頭主體上的差動線圈部和安裝在杠桿式部件上并插入差動線圈部內(nèi)的鐵心構(gòu)成。
探頭的移動量作為光學(xué)數(shù)顯測量裝置的脈沖計數(shù)值被檢測出來(LVDT的情況下作為電壓的變化被檢測出來)，該檢測值由運算處理部處理，并作為移動量求出。
機械控制儀器使用L字型測頭或者夾持型測頭，L字型測頭由1個杠桿式部件構(gòu)成，通過1個探頭測量1處的變位，夾持型測頭中成對地插入了2個杠桿式部件，由相對向的2個探頭夾持被測量物，并測量被測量物的外徑。
由這些杠桿式測頭測量平面的位置(厚度等)的情況下，會產(chǎn)生將變位作為角度測量而引起的誤差。另外，測量圓筒形工件的外徑等曲面的情況下，會產(chǎn)生探頭接觸的點移動所引起的誤差。
為了減少這些幾何的誤差要因?qū)е碌挠绊?，提出了各種方案(例如，參照特開平10-19545號公報)。
特開平10-19545號公報中所記載的尺寸測量裝置中，預(yù)先取得橫貫整個測量范圍的修正數(shù)據(jù)并存儲。在測量時，從存儲器導(dǎo)出相符的修正值，并修正測量值。
上述特開平10-19545號公報中記載的現(xiàn)有技術(shù)中，為了得到橫貫整個測量區(qū)域的修正數(shù)據(jù)，必須準(zhǔn)備多個作為覆蓋整個測量范圍的尺寸基準(zhǔn)的已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件(マスタ一ワ一ク)，并測量這些多個標(biāo)準(zhǔn)工件以取得修正數(shù)據(jù)，但是，機械控制儀器等測量器中，必須由測量對象工件交換或者調(diào)整構(gòu)成杠桿式部件的鉤爪或者安裝在鉤爪前端的探頭，每次測量多個標(biāo)準(zhǔn)工件從而取得修正數(shù)據(jù)對用戶來說事實上是不可能的。
另外，在其他測量裝置中，也經(jīng)常代替修正數(shù)據(jù)而使用通過計算圓弧誤差等幾何的誤差來進行修正的方法。但是，由該計算得到的幾何的誤差修正，因為構(gòu)成測量裝置的各部件尺寸相對設(shè)計值具有誤差，因而不能準(zhǔn)確修正，不能進行高精度測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的是提供一種高精度測量方法及測量裝置，例如，對于修正杠桿式測量裝置等固有的測量誤差，便于用戶實施，另外，即使測量裝置的各部件相對設(shè)計值具有誤差也可以進行準(zhǔn)確的修正，并具有幾何的誤差修正方法。
為達成上述目的，本發(fā)明的測量方法，其是使探頭接觸工件并測量該工件的尺寸的，其特征在于，存儲基于用于修正測量裝置固有的幾何的測量誤差的設(shè)計值的修正計算式；測量工件并運算使用所述修正計算式的測量值；以代入所述修正計算式中的設(shè)計值中的多個設(shè)計值為變量并通過數(shù)值解法將該變量最優(yōu)化，以使所述被運算的測量值和真值的誤差最小；存儲將所述被最優(yōu)化的變量代入的最優(yōu)化修正計算式；在以后的測量中使用所述最優(yōu)化修正計算式而運算測量值。
另外，為達成上述目的，本發(fā)明的測量裝置，其具備前端具有探頭，以支點部件為支點支撐并可轉(zhuǎn)動的臂部件；通過檢測出該臂部件的變位量來檢測出所述探頭的變位量的檢測器；及，根據(jù)該檢測器的檢測信號來運算測量值的運算處理部，其特征在于所述運算處理部設(shè)置有存儲基于設(shè)計值的幾何的測量誤差的修正計算式的存儲單元；根據(jù)所述檢測器的檢測信號，使用所述修正計算式來運算測量值的測量值運算單元；及最優(yōu)化運算單元，以被代入所述修正計算式中的設(shè)計值中的多個設(shè)計值為變量，并通過數(shù)值解法將該變量最優(yōu)化，以使所述被運算的測量值和真值的誤差最小，所述存儲單元用于存儲將所述被最優(yōu)化的變量代入的最優(yōu)化修正計算式，并且，所述測量值運算單元使用所述最優(yōu)化修正計算式運算測量值。
根據(jù)本發(fā)明，以代入用來修正測量裝置所固有的幾何的測量誤差的修正計算式中的設(shè)計值中的多個設(shè)計值為變量，通過數(shù)值解法將該變量最優(yōu)化，并使用得到的最優(yōu)化修正計算式運算測量值，因此，即使測量裝置的各部件相對設(shè)計值具有誤差也可以進行準(zhǔn)確的修正，可以進行高精度的測量。
另外，本發(fā)明提供一種測量方法和測量裝置，其特征在于，測量已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件，將所述變量最優(yōu)化以使得到的測量值和所述已知的尺寸的差最小，并且，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)工件使用的是，測量范圍的上限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件和測量范圍的下限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件中至少一方的標(biāo)準(zhǔn)工件。
根據(jù)本發(fā)明，使用測量范圍的上限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件和測量范圍的下限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件中至少一方的標(biāo)準(zhǔn)工件從而使修正計算式最優(yōu)化，因此，作為尺寸基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)工件，除了一般使用的零點設(shè)定用標(biāo)準(zhǔn)工件之外，至少還使用1個或2個(總計2個或3個)，用戶容易將修正計算式最優(yōu)化，并可以進行高精度的測量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的測量方法及測量裝置，即使測量裝置的各部件相對設(shè)計值具有誤差，也可以通過修正計算式修正例如杠桿式的測量裝置等所固有的幾何的測量誤差，另外，用戶可以很容易地將修正計算式最優(yōu)化，并可以進行高精度的測量。


圖1是表示本發(fā)明的實施例的測量裝置的概念圖；圖2是表示由球面觸點測量圓筒形工件的模型的側(cè)視圖；圖3是表示實施例的坐標(biāo)圖。
具體實施例方式
下面，根據(jù)附圖對本發(fā)明涉及的測量方法及測量裝置的較好實施例進行說明。而且，在各圖中，相同部件標(biāo)以相同號碼或符號。
圖1是表示本發(fā)明的實施例的測量裝置的概念圖。測量裝置10由測量工件50的外徑的夾持型測頭11、用于運算處理測量數(shù)據(jù)的運算處理部20以及未圖示的顯示部等構(gòu)成。
測頭11具有以支點部件13為中心旋轉(zhuǎn)支撐的臂部件12、安裝在臂部件12的前端并接觸工件50的探頭14、由作用在臂部件12上并向工件50方向?qū)μ筋^14施力的壓縮彈簧構(gòu)成的施力部件15、由夾持著臂部件12的支點部件13并固定在與探頭14相反一側(cè)端面上的標(biāo)尺(スケ一ル)16A和固定在頭主體17上的讀取頭16B構(gòu)成的檢測器16等。
這些臂部件12、探頭14、檢測器16等成對地上下對稱設(shè)置。
運算處理部20由輸入輸出電路部21、存儲單元22、測量值運算單元23及最優(yōu)化運算處理部24等構(gòu)成，并分別連接到匯流線上。輸入輸出電路部21進行運算處理部20和檢測器16及顯示部之間的信號交換，存儲單元22用于檢測信號的存儲或者修正測量值的幾何的誤差的修正計算式等的存儲。
測量值運算單元23，基于從檢測器16輸出的檢測信號，使用修正計算式運算測量值。最優(yōu)化運算單元24具有通過數(shù)值解法將用于修正計算式的各設(shè)計值最優(yōu)化，以使幾何的測量誤差最小的程序，并將基于設(shè)計值作成的修正計算式修正為最優(yōu)化的修正計算式。
接著，就幾何的測量誤差的修正計算式進行說明。圖2表示測量直徑不同的3種工件時的探頭14和工件50的接觸狀態(tài)。圖2中，O表示設(shè)計上的工件中心，K表示實際的工件中心。Q是臂部件12的轉(zhuǎn)動支點，B1、B2、B3是探頭14前端為球時接觸各工件的球的中心。
L是使探頭14的前端接觸半徑為A的工件時的支點Q和球的中心B1的X方向的距離，S是從這時的支點Q到標(biāo)尺讀取點為止的X方向的距離。另外，X0是這時的球的中心B1相對工件的中心K的X方向的偏移量。
R是探頭的前端球的半徑。Y0是相對設(shè)計上的工件中心O的實際的工件中心K的Y方向偏移量，H是設(shè)計上的工件中心O和支點Q的Y方向距離。
α是連接支點Q和工件中心K的線段和線段QB1所成的角度，β是線段QK和線段QB2所成的角度，θ是探頭14的前端球從B1向B2移動時以支點Q為中心的角度。
a表示QK之間的X方向距離，b表示QK之間的Y方向距離，d表示線段QK的長度，e表示線段KB1的長度，f表示KB1之間的Y方向距離，g表示QB1之間的Y方向距離，h表示線段QB1及線段QB2的長度，i表示線段KB2的長度。
另外，標(biāo)尺16A的間距為P，標(biāo)尺讀取時的電分割數(shù)為N，探頭14的前端球從接觸半徑為A的工件的位置向接觸半徑為A+δ的工件的位置轉(zhuǎn)動時，即臂部件12僅旋轉(zhuǎn)角度θ時的檢測器16的計算數(shù)為C時，工件半徑的變化量δ可以由以下算式表示。
(式1)a＝L+X
b＝Y(jié)+hd=(a2+b2)]]>e＝A+Rf=(e2-X2)]]>g＝f-bh=(L2+g2)]]>i＝A+δ+Re2＝d2+h2-2×d×h×COS(α)∴α＝A×COS[(d2+h2-e2)/(2×d×h)]i2＝d2+h2-2×d×h×COS(β)∴β＝A×COS[(d2+h2-i2)/(2×d×h)]θ＝β-αC＝(S×N×θ)/Pθ＝(C×P)/(S×N)β＝θ+αi=[d2+h2-2×d×h×COS(β)]]]>δ＝i-A-R通過運算檢測器16的計算數(shù)C和根據(jù)上述計算式得到的測量值，修正引起杠桿運動的幾何的誤差。但是，上述計算式中的X0、Y0是未知數(shù)，另外，雖然L、A、H、S、P也有設(shè)計上的數(shù)值，但是并不能保證實際的是何種尺寸。
如果這些數(shù)值全部準(zhǔn)確地測量，則上述計算式的準(zhǔn)確度提高，但是，因為有很難實際測量的部分，測量還是有誤差。另外，也有由用戶進行探頭14或者構(gòu)成臂部件12的一部分的鉤爪的調(diào)整的情況，每次都進行測量并不現(xiàn)實。因此，可以通過以下順序?qū)崿F(xiàn)各數(shù)值的最優(yōu)化，以得到更準(zhǔn)確的測量值。
首先，最初，將在運算處理部20中修改上述幾何的誤差的計算式程序化。但是，各變量的值是代入設(shè)計值或者現(xiàn)實中想到的數(shù)值。
接著，測量在測量范圍中央的尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件(基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn))，為了得到正確的測量值，進行構(gòu)成臂部件12的一部分的鉤爪或者探頭的調(diào)整從而符合基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的已知尺寸。
然后，對測量范圍的上限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件(大標(biāo)準(zhǔn))進行測量，并記錄由上述程序化的計算式運算的測量值和大標(biāo)準(zhǔn)的已知的實際尺寸值的差(誤差)。
同樣，對測量范圍的下限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件(小標(biāo)準(zhǔn))進行測量，并記錄誤差。然后，分別將大標(biāo)準(zhǔn)的測量誤差和小標(biāo)準(zhǔn)的測量誤差乘方并相加。即計算出誤差的乘方和。
然后，為了使這里得到的誤差的乘方和最小，先調(diào)整將計算式程序化時給予的各變量的值。各變量的調(diào)整是將在運算處理部20的優(yōu)化運算單元24中使用牛頓法、反復(fù)法等的計算機的數(shù)值解法程序化，使各變量自動最優(yōu)化。
將該最優(yōu)化的修正計算式存儲在運算處理部20的存儲單元22中，在以后的測量中，運算處理部20的測量值運算單元23使用該最優(yōu)化的修正計算式運算測量值。
(實施例)在上述(式1)所示的計算式中代入下述(式2)所示的設(shè)計值。
(式2)L＝115A＝9R＝1.5H＝26.5S＝65P＝0.02
X＝0Y＝0N＝1024這些設(shè)計值中，以L、A及X為變量通過數(shù)值解法實現(xiàn)最優(yōu)化。對通過僅將上述設(shè)計值代入的計算式進行運算的結(jié)果，和通過將設(shè)計值中的最優(yōu)化的L、A及X代入的計算式進行運算的結(jié)果的測量誤差的比較如圖3所示。
圖3的坐標(biāo)圖，橫軸表示探頭14的變位(mm)，縱軸表示測量誤差(μm)。坐標(biāo)圖的曲線，菱形的曲線表示通過設(shè)計值中的計算式運算的測量值的誤差，三角形的曲線表示通過使設(shè)計值中的L、A及X最優(yōu)化的計算式運算的測量值的誤差。
如圖3所示，設(shè)計值修正的情況下的最大誤差是256μm。對此，最優(yōu)化修正的情況下的最大誤差為0.8μm。
而且，在上述實施例中，對應(yīng)了變量的最優(yōu)化，使用基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、大標(biāo)準(zhǔn)及小標(biāo)準(zhǔn)3個作為標(biāo)準(zhǔn)工件，但是，也可以使用基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和大標(biāo)準(zhǔn)或者基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和小標(biāo)準(zhǔn)2個標(biāo)準(zhǔn)來進行，或者也可以使用加上中間標(biāo)準(zhǔn)的3個以上標(biāo)準(zhǔn)以提高精度。
另外，雖然是通過修正杠桿運動引起的幾何的誤差的計算式來實施的，但是，也可以是含有臂部件12的桿系的撓曲或者還含有支點部分的位置移動等的計算式。
另外，使用光學(xué)數(shù)顯測量裝置作為檢測器16，但是，也可以使用LVDT(差動變壓器)。但是，LVDT在廣范圍內(nèi)的直線性并不好，因此，可以將其特性模型化并編入修正計算式中。
另外，雖然表示了通過球形觸點測量圓筒工件的情況下的修正計算式，但是，也可以作成分別適合在通過球形觸點測量平面工件的情況下，或者通過桿狀觸點測量圓筒工件的情況下等的各種測量的計算式。
權(quán)利要求
1.一種測量方法，其是使探頭接觸工件并測量該工件的尺寸的，其特征在于，存儲基于用于修正測量裝置固有的幾何的測量誤差的設(shè)計值的修正計算式；測量工件并運算使用所述修正計算式的測量值；以代入所述修正計算式中的設(shè)計值中的多個設(shè)計值為變量并通過數(shù)值解法將該變量最優(yōu)化，以使所述被運算的測量值和真值的誤差最?。淮鎯⑺霰蛔顑?yōu)化的變量代入的最優(yōu)化修正計算式；在以后的測量中使用所述最優(yōu)化修正計算式而運算測量值。
2.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于測量已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件，將所述變量最優(yōu)化以使得到的測量值和所述已知的尺寸的差最小。
3.如權(quán)利要求2所述的測量方法，其特征在于所述標(biāo)準(zhǔn)工件使用的是，測量范圍的上限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件和測量范圍的下限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件中至少一方的標(biāo)準(zhǔn)工件。
4.一種測量裝置，其具備前端具有探頭，以支點部件為支點支撐并可轉(zhuǎn)動的臂部件；通過檢測出該臂部件的變位量來檢測出所述探頭的變位量的檢測器；及，根據(jù)該檢測器的檢測信號來運算測量值的運算處理部，其特征在于所述運算處理部設(shè)置有存儲基于設(shè)計值的幾何的測量誤差的修正計算式的存儲單元；根據(jù)所述檢測器的檢測信號，使用所述修正計算式來運算測量值的測量值運算單元；及最優(yōu)化運算單元，以被代入所述修正計算式中的設(shè)計值中的多個設(shè)計值為變量，并通過數(shù)值解法將該變量最優(yōu)化，以使所述被運算的測量值和真值的誤差最小，所述存儲單元用于存儲將所述被最優(yōu)化的變量代入的最優(yōu)化修正計算式，并且所述測量值運算單元使用所述最優(yōu)化修正計算式運算測量值。
5.如權(quán)利要求4所述的測量裝置，其特征在于測量已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件，將所述變量最優(yōu)化以使得到的測量值和所述已知的尺寸的差最小。
6.如權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于所述標(biāo)準(zhǔn)工件使用的是，測量范圍的上限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件和測量范圍的下限尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件中至少一方的標(biāo)準(zhǔn)工件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種測量方法和測量裝置。以代入用于修正測量裝置固有的幾何的測量誤差的修正計算式中的設(shè)計值中的多個設(shè)計值為變量，通過數(shù)值解法將該變量最優(yōu)化，并使用所得到的最優(yōu)化修正計算式運算測量值。變量的最優(yōu)化是，通過測量標(biāo)準(zhǔn)工件，并調(diào)整變量以使測量誤差最小而完成的。
文檔編號G01B5/02GK1580690SQ20041005637
公開日2005年2月16日 申請日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月4日
發(fā)明者高井望, 小栗正明 申請人:株式會社東京精密, 株式會社東精工程